混合電路和模塊技術的50年

50 多年來，混合電路和模塊技術一直在發展，現在，模塊採用了 COTS（商用現成有售） 形式，為縮短設計周期、減輕過時淘汰問題以及應對 SWaP （尺寸、重量和功率） 挑戰做出了重大貢獻。我們來回顧一下這種技術的發展歷史，探索一些對航空航天和國防行業而言非常重要的因素。

早期的混合電路

上世紀 50 年代後期，運用分立式晶體管的計算領域取得了巨大進步，但是電路板變得日益複雜了，有時有數千個互連的晶體管、二極體、電阻器和電容器。因此，需要一種解決方案來提高密度和可靠性。政府機構為嘗試各種混合電路理念提供了資助。

1958 年，美國資助的 RCA 公司提出了「微型模塊」概念。這種概念採取的方法是使用從外部配置、統一大小的立方體，以便這些立方體能夠相互固定在一起。在內部，各種分立式組件的小晶元垂直疊置，在其邊沿處互連。從體積上看，組件密度提高了兩倍多，可靠性則提高了6 倍，在接下來的幾年中又進一步投資。在 1962 年，一個10 組件模塊的價格為 52 美元，大約是常規分立式 PCB（印製電路板）解決方案價錢的 2.5 倍。

儘管價格很高，但是 RCA 的微型模塊非常成功，不過生命很短，集成電路 （IC） 的誕生無疑促成了這種模塊讓位。早期 IC 的價格是混合式解決方案的 9 倍，這些 IC 常常是政府資助項目的受益者，1962 年的一個著名項目是雷神 （Raytheon）公司為美國航空航天局 （NASA） 建造的「阿波羅制導計算機 （ApolloGuidance Computer）」。

圖片來自網路

隨著 IC 的迅速發展，人們不久就認識到 IC 相對於混合電路和模塊的優勢。從這方面來看，混合電路技術依然存在似乎令人驚訝。不過，政府常常有更廣泛的考慮，包括相對於創新和複雜運行要求，考慮產品穩定性和長期可用性、可靠性、實用性等。這些因素與混合電路和模塊的特定技術優勢相結合，無疑是混合電路技術在過去 50 年得到持續使用的原因之一。

集成

在本文涵蓋的這段時間，ASIC技術帶來了行業革命。最初，數百個門的門陣列為政府提供了一條提高數字化集成度的途徑，隨著門密度的迅速提高和開發工具的改進，混合電路的日子似乎屈指可數了。

上世紀 80年代後期，防務設備設計師認識到了數字 ASIC 的成功性，嘗試將相同的方法應用到混合信號電路。他們的動機主要由小型化需求主導，因為防務需要越來越複雜的系統，那時這樣的系統預算很大。但是，調整為客戶使用而完全定製的設計工具很難，模擬設計也很複雜，這種困難和複雜性意味著，對於實際上完全定製的設計而言，混合信號 ASIC 仍然會非常密集地耗費資源，而且高度依賴半導體製造商的設計團隊。

儘管模擬 ASIC 設計工具和技術已經取得了巨大進步，但是真實世界的模擬問題範圍寬廣，仍然難以用現成有售的半定製電路一一解決。因此，當現成有售的產品發揮不了作用時，混合電路為將各種採用不同工藝技術製造的高性能模擬和信號鏈路功能集成到單個封裝中提供了一條途徑。

性能

防務和航空航天系統一般是以模塊化子系統為基礎設計的。例如，現場可更換單元 （LRU） 簡化了服務和運行支持。LRU 互連依靠 MILSTD-1553匯流排介面等標準。用混合電路、模塊、ASIC 宏或在標準格式的電路板上實現這些功能已經成為首選方法，實際上，它們就是專用標準產品 （ASSP） 和基本構件。

這凸顯出兩個重要因素。首先，無謂的重新發明是沒有什麼可取之處的，而且讓設計師專註於系統的核心知識產權才是更有效的用人方式。其次，按照如今的標準，防務和航空航天業是半導體的小用戶，與開發單片IC 級 ASSP 相比，開發模塊或電路板級解決方案是更加現實的主張。

傳統上，電源模塊的性能要求也很好地與混合模塊技術保持了一致，這種技術所使用的密封金屬罐封裝滿足高溫、高可靠性防務應用的功率密度 和 熱 量 管 理 需求。隨著大型 FPGA和微處理器的電源要求越來越高，對更高效的電源架構和負載點 （POL） 調節的追求已經導致出現了新的模塊解決方案。

長久以來，雷達等應用也一直依靠混合電路和模塊實現 RF 和微波解決方案。只是近年來，才出現了開始滿足這類需求的單片 IC 產品，但是現在，新式高度平行的相控陣雷達再次將注意力集中到模塊解決方案上。

安全性

產品過時淘汰對防務業而言是個非常嚴重的問題。30 到 50 年的項目壽命很常見，因此防務和航空航天設備供應商不斷尋求降低風險的方式。混合電路和模塊一直是一種嘗試隔離國防行業與半導體行業快速變化的方法。存儲器模塊是一個引起興趣的特定領域，因為 DRAM 和 SRAM 技術的壽命尤其短。可以保持標準外形尺寸和引腳布局的概念，同時可以更新模塊內的存儲器晶元。這件事寫起來比實際做起來容易得多，部分是因為，在存取時間、架構和電源電壓方面不斷取得進展。另一方面，如果空間允許，使用標準格式的嵌入式處理器板卡可提供一種更高級的方法。不過標準外形尺寸的概念是很多過時淘汰管理戰略的核心，無疑也是影響混合電路和模塊解決方案壽命長短的一個主要因素。

混合電路和模塊也有優勢，因為全定製模塊可用來隱藏與硬體設計有關的寶貴的知識產權，使逆向工程更加難以實現。僅查看封裝上的器件數量不足以對硬體設計解碼。此外，有些半導體晶元也不容易在公開市場上買到。

從全定製到今天的COTS

之前關於在防務系統中繼續使用混合電路和模塊的觀點仍然有效。不過，重要的是要認識到，防務設備製造商面臨的商用壓力比以往任何時候都大，尤其是成本和上市時間。

全定製混合設計價錢昂貴，要用相對較長的時間開發。可替代的單片IC 解決方案正在逐年增多。儘管大型國防公司仍然開發新的混合設計，但是隨著產量下降，可察覺到出現了製造外包趨勢。

COTS 模塊的情形則完全不同。在技術和商用因素的驅動下，基於模塊的解決方案出現了明顯的勢頭。開關電源和信號鏈路是尤其適合用模塊實現的兩類應用，因為高效率設計需要專門知識，這在今天的防務設計團隊中是稀缺品。

μModule產品

μModule 產品是如今的 COTS模塊的一個例子， 2005 年推出，首批產品中有一個完整的12A DC/DC 穩壓器，採用 15 mm2表面貼裝封裝（圖1）。

圖1 LTM4601AHV 12 A μModule DC/DC 穩壓器

接下來，我們開發了一個完整的μModule 產品系列，包括多種電源、介面和信號鏈路產品，例如最近推出的 LTM9100 （圖2） 和 ADAQ7980（圖3）。

圖2 具遙測功能的高壓隔離式開關控制器 LTM9100

圖3 16 位 1Msps 數據採集子系統 ADAQ7980

COTS 模塊封裝類型

與 表 面 貼 裝 I C 類 似 ， 每 個μModule 穩壓器都包括一個完整的系統級封裝解決方案，可簡化設計並最大限度減少外部組件。從內部看，布局和設計都為提高電氣性能和熱效率進行了優化。這些μModule 產品按照業界高標準開發，提供出色的可靠性，並接近標準 IC。提供具金塗層焊盤的 LGA （焊盤網格陣列） 封裝和具 SAC305 或 SnPb 焊料的 BGA （球珊陣列） 封裝，且有各種溫度級版本。

圖4 採用 LGA （左） 和 BGA （右） 封裝的兩種 μModule 穩壓器

如 果 需 要 ， 防務 溫 度 級 版 本μModule 產品在 -55 ℃ 和 +125 ℃ 時通過 100% 的電氣測試，可提供有保證的數據表性能。

結論

50 年前，混合電路和模塊是電子電路小型化和改進電子電路可靠性的首選技術。隨著半導體行業日益商品化，產品生命周期與國防行業設備生命周期差異越來越大，混合電路和模塊在減輕過時淘汰問題方面找到了新的用武之地。儘管 ASIC 成為數字電子電路集成的首選方法，但混合模塊可以在解決模擬難題這一小型專業化市場發揮作用。

同時，COTS 模塊以專用標準產品 （Application Specific StandardProducts） 形式出現了，尤其是針對電源、處理器、信號鏈路和介面的模塊。隨著防務設備提供商爭取新的競爭優勢、認識到讓稀缺設計資源集中於增強核心能力的重要性，這些專用標準產品也得到了廣泛採用。

如今，國防預算壓力和更短的設計周期可能使完全定製的混合電路日益成為一種遺留解決方案，但是毫無疑問，COTS 模塊越來越成為防務和航空航天行業的首選技術。

文章來源來自亞德諾半導體官微，感謝作者Steve Munns的付出與成果。

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